Электрооборудование автомобиля

    Генераторы  постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

    Электродвигатели  и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования  летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

    Генераторы  постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки). Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

    В зависимости от схемы питания  обмотки возбуждения машины постоянного  тока разделяются на несколько типов ( с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

    Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

    В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной  обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1). По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Из технологических  соображений сердечник полюсов  обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2). Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая — располагается

 

Рис.   1.   Устройство     машины    постоянного  тока:

1 — обмотка    возбуждения;   2 — полюсы;   3 — ярмо; 4 — полюсный  наконечник;    5 — якорь;   6 — проводники  якорной  обмотки;   7 — зубец якорного сердечника;   8 — воздушный зазор машины 

Рис. 2. Полюс   машины постоянного тока:

2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения 5 — болт для крепления полюса;      6 — ярмо 
 
 

вблизи  якоря. Зазор между полюсом и  якорным сердечником является рабочим  воздушным зазором машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается  так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

    Основная  часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

    На  рис. 3, а представлено распределение  магнитной индукции в воздушном  зазоре двухполюсной машины в функции  геометрического угла α. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период  

Рис. 3. Кривые изменения магнитной

индукции  в пространстве и э.д.с.

проводника  якорной обмотки во времени:

а — пространственное распределение

  индукции под полюсом; б — изменение

э.д.с.. проводника во времени;

  в — выпрямленное  при   помощи

  коллектора напряжение на щетках

    соответствует длине поверхности сердечника якоря,

    расположенной под двумя полюсами.

      Например, в четырехполюсной 

    машине (р=2) имеются два

    пространственных  периода (рис. 4). В теории электрических  машин, кроме угла α_г, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла α_э, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол α_э=360 эл. град или 2π эл. рад. Поэтому 

            α_э=ρα_г  (1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем α_э=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки  индуктируется э. д. с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника                                                         

e=B_αlν,  (2) 

где Ва —  нормальная составляющая индукции в  точке, определяемой углом а, в которой  в данный момент времени находится  проводник, тл;

    I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;

    v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной  машине:

а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре 
 

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем 

e≡B_α.  (3) 

    Из  выражения (3) следует, что при равномерном  вращении якорной обмотки изменение  э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре В_α, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках  якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е. 

         (4)

    Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной  машины. Оно показывает, что частота  э.д.с. пропорциональна числу полюсов  машины и скорости ее вращения.

    В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w, выраженное через механическую скорость вращения

        

имеем

         (5) 

В машинах постоянного  тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая — отрицательной.

    

Рис.  5.  Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора:

    1— медные пластины;  2 — виток обмотки якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь 

    Простейший  коллектор имеет две изолированные  между собой медные пластины, выполненные  в форме полуколец (рис. 5), к которым  присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3, в).

Рис. 6. Устройство коллектора:

1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 — «петушок» — часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина 

Якорная обмотка состоит из большого числа  секций, представляющих собой один или несколько последовательно  соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 7). При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его  повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались  многочисленные попытки создать  бесколлекторную машину постоянного  тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами  разной  полярности,  в любом случае  наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 7. Пульсация напряжения на щетках   генератора постоянного тока: